计算机网络笔记-第四章-网络层

[TOC]

一、导论

网络层服务：

  • 在发送主机和接收主机对之间传送段（segment）
  • 在发送端将段封装到数据报中
  • 在接收端，将段上交给传输层实体
  • 网络层协议存在于每一个主机和路由器
  • 路由器检查每一个经过它的IP数据报的头部

网络层关键功能：

  • 转发：将分组从路由器的输入接口转发到合适的输出接口
  • 路由：使用路由算法来决定分组从发送主机到目标接收主机的路径
    • 路由选择算法
    • 路由选择协议（RIP，OSPF,BGP）
  • 转发是通过单个路口的过程
  • 路由是从源到目的的路由规划过程

(一)网络层：数据平面

数据平面：决定从路由器输入端口到达的分组如何转发到输出端口

转发方式：

传统方式：基于目标地址+转发表（控制平面：路由算法决定端到端的路径，数据平面：IP协议根据转发表决定了IP数据报在此路由器上的局部转发）

SDN方式：基于多个字段+流表

(二)网络层：控制平面

控制平面：决定数据报如何在路由器之间路由，决定数据报从源到目标主机之间的端到端路径

两个控制方面方法：

传统的路由算法：在路由器中被实现（分布式）

SDN：在远程的服务器中实现（集中式）

网络服务模型：

问：从发送方主机到接收方主机传输数据报的“通道” ，网络提供什么样的服务模型？

对于单个数据报的服务：可靠传输+延迟保证（例如 少于40ms的延迟）

对于数据报流的服务：保序数据报传送+保证流的最小带宽+分组之间的延迟差

二、路由器组成

(一)路由器结构概述

看书。

(二)输入端口功能

根据数据报头部的信息：目的地址在输入端口缓存中的转发表中查找合适的输出端口（匹配+行动）

基于目标的转发：仅仅依赖于IP数据报的目标IP地址（传统方法）

通用转发：基于头部字段的任意集合进行转发

(三)最长前缀匹配

当给定目标地址转发表时，采用最长地址前缀匹配的目标地址表项

最长前缀匹配：在路由器中经常采用TCAMs( ternary content addressable memories)硬件来完成

作用：方便查询路由表，提高效率

(四)输入端口缓存

当交换机构的速率小于输入端口的汇聚速率时， 在输入端口可能要排队->排队延时->输入缓存溢出->数据丢失

(五)交换结构

将分组从输入缓冲区传输到合适的输出端口

交换速率：分组可以按照该速率从输入传输到输出

说明：此次的运行速度是输入/输出链路速率的若干倍，例如N个输入端口：交换机构的交换速度是输入线路速度的N倍比较理想，才不会成为瓶颈

三种典型交换结构：memory bus crossbar

memory：

  • 在CPU直接控制下的交换，采用传统的计算机
  • 分组被拷贝到系统内存，CPU从分组的头部提取出目标地址，查找转发表，找到对应的输出端口，拷贝到输出端口
  • 转发速率被内存的带宽限制 (数据报通过BUS两遍)
  • 一次只能转发一个分组

bus：

  • 数据报通过共享总线，从输入端口转发到输出端口
  • 总线竞争: 交换速度受限于总线带宽
  • 1次处理一个分组
  • 1 Gbps bus, Cisco 1900； 32 Gbps bus, Cisco 5600；对于接入或企业级路由器，速度足够（但不适合区域或骨干网络）
  • 数据报通过BUS一遍

crossbar：

  • 同时并发转发多个分组，克服总线带宽限制
  • Banyan（榕树）网络，crossbar(纵横) 和其它的互联网络被开发，将多个处理器连接成多处理器
  • 当分组从端口A到达，转给端口Y；控制器短接相应的两个总线
  • 高级设计：将数据报分片为固定长度的信元，通过交换网络交换
  • Cisco12000：以60Gbps的交换速率通过互联网络

(六)输出端口

不是所有的数据报（分组）都能成功从输出端口输出，因为会存在数据报丢失的情况，由于拥塞，缓存区没有空间。

  1. 当数据报从交换机构的到达速度比传输速率快就需要输出端口缓存
  2. 由调度规则选择排队的数据报进行传输
  3. 输出端口排队

(七)调度机制

调度即选择下一个要通过链路传输的分组

调度方式：

FIFO（队列 先到先得）

丢弃策略:如果分组到达一个满的队列，哪个分组将会被抛弃?

  • tail drop:丢失刚到达的分组
  • priority:根据优先权丢失/移除分组
  • random:随机的丢失/移除

优先权：

按照分组的优先权选择发送下一个要通过链路传输的分组

三、IP：Internet Protocol

害，这里就放图了（你知不知道插图的过程虽然简单但是真的很烦耶）

(一)数据报格式

(二)分片与重组

(三)IPV4地址以及相关概念

这一部分的话我觉得想学明白还是得多看看书，多查阅资料我就简单的放图了。

四种IP地址分类：

A类IP地址

A类IP地址由1字节的网络地址和3字节主机地址组成，网络地址的最高位必须是”0”；

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地址的表示范围为：0.0.0.0~127.255.255.255；
默认子网掩码为：255.0.0.0 或 /8；
255.0.0.0 =>11111111.00000000.00000000.00000000
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网络号全为1的IP:127.x.x.x/8表示保留，用于本机回环测试用。
主机号全为0代表本主机所在的网络地址;主机号全为1代表该网络上的所有主机.故不能分配。 

即：
A类地址可用的网络数为2^7-2=126个；
每个网络能容纳的主机数为2^24-2=16777214（上千万台）；
一般分配给规模比较大的网络使用。

B类IP地址

B类IP地址由2个字节的网络地址和2个字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是”10”;

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地址范围是128.0.0.0到191.255.255.255；
默认子网掩码为：255.255.0.0或/16;
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主机号全为0代表本主机所在的网络地址;主机号全为1代表该网络上的所有主机.故不能分配。

即：
 B类地址可用的网络数为2^14-1=16383个；
 每个网络能容纳的主机数为2^16-2=65534（上万台）；
 一般分配给中型的网络使用。

C类IP地址

C类IP地址由3字节的网络地址和1字节的主机地址组成，网络地址的最高位必须是”110”;

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地址范围是192.0.0.0到223.255.255.255；
默认子网掩码为：255.255.255.0或/24；
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主机号全为0代表本主机所在的网络地址;主机号全为1代表该网络上的所有主机.故不能分配。

即：
 C类地址可用的网络数为2^21-1=2097151个；
 个网络能容纳的主机数为2^8-2=254台;
 一般分配给小型的网络使用。

特殊的IP地址

IP地址 说明 备注
0.0.0.0 表示整个网络 可表示本机源地址，也可表示某个特定主机
255.255.255.255 一个特殊的广播地址，意味着所有的主机 x.255.255.255/x.x.255.255/x.x.x.255
127.x.x.x 回环测试地址，默认127.0.0.1 127.0.0.2 127.1.1.1都可以代表本机回环地址

(四)DHCP:Dynamic Host Configuration Protocol

允许主机在加入网络的时候，动态地从服务器那里获得IP地址….这一块还得重新学习一下，有一个关于子网的问题。

(五)NAT:Network Address Translation

感觉不重要…

(六)IPV6

为什么有IPV4还要IPV6？

因为IPV4用完了，并且IPV6对IPV4的不足做了优化。

IPv6数据报格式：固定的40 字节头部，数据报传输过程中，不允许分片

四、通用转发和SDN

(一)网络层

网络层功能：

  • 转发：对于从某个端口到来的分组转发到合适的输出端口
  • 路由：觉得分组从源端到目标端的路径
  • 网络层包括数据平面和控制平面。

路由器的网络层功能：

  • IP转发：对于到来的分组按照路由表决定如何转发，数据平面
  • 路由：决定路径，计算路由表；处在控制平面

还有其他种类繁多网络设备（中间盒）：

  • 交换机；防火墙；NAT；IDS；负载均衡设备

网络设备控制平面的实现方式特点：

互联网网络设备：传统方式都是通过分布式，每台设备的方法来实现数据平面和控制平面功能

  • 垂直集成：每台路由器或其他网络设备，包括
    • 硬件、在私有的操作系统
    • 互联网标准协议（IP,RIP,IS-IS,OSPF,BGP)的私有实现
    • 从上到下都有一个厂商提供*代价大，被设备上“绑架”）
  • 每个设备都实现了数据平面和控制平面的事情
    • 控制平面的功能是分布式实现的
  • 设备基本上只能（分布式升级困难）按照固定方式工作， 控制逻辑固化。不同的网络功能需要不同的
  • 数据+控制平面）集成>（控制逻辑）分布->固化
    • 代价大；升级困难；管理困难等

传统方式实现网络功能的问题

  • 垂直集成>昂贵、不便于创新的生态
  • 分布式、固化设备功能==网络设备种类繁多
    • 无法改变路由等工作逻辑，无法实现流量工程等高级特性
    • 配置错误影响全网运行；升级和维护会涉及到全网设备：管理困难
    • 要增加新的网络功能，需要设计、实现以及部署新的 特定设备，设备种类繁多
  • ~2005: 开始重新思考网络控制平面的处理方式
    • 集中：远程的控制器集中实现控制逻辑
    • 远程：数据平面和控制平面的分离

(二)SDN

SDN:逻辑上集中的控制平面 实现了控制平面和数据平面的分离。

一个不同的（通常是远程）控制器和CA交互，控制器决定分组 转发的逻辑（可编程），CA所在设备执行逻辑。

SDN的实现思路：

  • 网络设备数据平面和控制平面分离
  • 数据平面-分组交换机
    • 将路由器、交换机和目前大多数网络设备的功能进一步抽象成：按照流表（由控制平面设置的控制逻辑）进行PDU （帧、分组）的动作（包括转发、丢弃、拷贝、泛洪、阻塞）
    • 统一化设备功能：SDN交换机（分组交换机），执行控制逻辑

SDN控制平面和数据平面分离的优势

  • 水平集成控制平面的开放实现（而非私有实 现），创造出好的产业生态，促进发展
    • 分组交换机、控制器和各种控制逻辑网络应用app可由不同 厂商生产，专业化，引入竞争形成良好生态
    • 集中式实现控制逻辑，网络管理容易
      • 集中式控制器了解网络状况，编程简单，传统方式困难
      • 避免路由器的误配置
    • 基于流表的匹配+行动的工作方式允许“可编程的”分组交换机
      • 实现流量工程等高级特性
      • 在此框架下实现各种新型（未来）的网络设备
  • 流量工程：传统路由比较困难

不想贴图了，呜呜，看书看书。

(三)OpenFlow

OpenFlow数据平面抽象

  • 流:由分组（帧）头部字段所定义
  • 通用转发：简单的分组处理规则
    • 模式: 将分组头部字段和流表进行匹配
    • 行动：对于匹配上的分组，可以是丢弃、转发、修改、 将匹配的分组发送给控制器
    • 优先权Priority: 几个模式匹配了，优先采用哪个，消除歧义
    • 计数器Counters:#bytes 以及#packets
    • 路由器中的流表定义了路由器的匹配+行动规则（流表由控制器计算并下发）

这个上课的时候其实我也没怎么弄明白，得查阅资料学习一下。

五、中间设备（补充）

从一般的概念来讲，将网络互相连接起来要使用一些中间设备。根据中间设备所在的层次，可以有以下四种不同的中间设备：

①物理层使用的中间设备叫 转发器

②数据链路层使用的中间设备叫作网桥或桥接器，以及交换机。

③网络层使用的中间设备叫作路由器

④在网络层以上使用的中间设备叫作网关。用网关连接两个不兼容的系统需要在高层进行协议的转换。

学习笔记
#计算机网络
计算机网络笔记-第四章-网络层
https://crwei996.github.io/2022/10/11/计算机网络笔记-第四章/
Author
Crwei996
Posted on
October 11, 2022
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